Допоможіть розробці сайту, ділитися статтею з друзями!

Якщо вільний кінець мотузки, прив'язаної до стійкого об'єкта, регулярно «помахувати», то на ній утворюється поперечна хвиля. Вона може бути вагається в одній площині - вертикальній, горизонтальній або під певним кутом до горизонталі. Така хвиля називається поляризованою. Якщо мотузка вібрує нерівномірно, у різних площинах, через неї поширюватиметься неполяризована хвиля. Світло, яке є електромагнітною хвилею, веде себе подібно до хвилі на мотузці. Ця властивість використовується, наприклад, у 3D-окулярах для розрізнення зображення для лівого та правого ока.

Поперечна хвиля називається плоскополяризованою, якщо коливання у всіх її точках відбуваються тільки в одній площині.

Щодо світла термін поляризація ввів у 1704-1706 р. Ньютон.

Поляризована світлова хвиля

Світло - це хвиля електромагнітного випромінювання, тобто. обурення електричного та магнітного поля, що переміщається у просторі. Для простоти ми говоритимемо про монохроматичному світлі, тобто про гармонійну хвилю з певною частотою і довжиною хвилі.

Електромагнітна хвиля - це поперечна хвиля. Це означає, що його електричне поле E завжди перпендикулярно (вагається перпендикулярно) напрямку поширення хвилі. Ми говоримо, що хвиля поляризована, якщо електричне поле у будь-якій точці має однаковий напрямок. Приклад поляризованої хвилі показаний малюнку 1.

Отже, поляризація світла описує напрям коливань вектора електричного поля.

Поляризована хвиля (від англ. polarized wave) - хвиля, електричне поле якої коливається в одній площині.

Мал. 1. Поляризована хвиля

Хвиля, показана на рис. 1, коливається у вертикальному напрямку. Напрямок коливань поляризованої хвилі називається напрямом поляризації. Цей напрямок може бути будь-яким - хвиля може коливатися вертикально (рис. 2. b), горизонтально (рис. 2. a) або під певним кутом (рис. 2. c).

Мал. 2. Хвилі з різними напрямками поляризації

Неполяризована хвиля

Не всі хвилі поляризовані. У деяких хвилях напрямок електричного поля хаотично змінюється від місця до місця. Така хвиля називається неполяризованою (рис. 3).

Мал. 3. Неполяризована хвиля

Така природа світла, що випромінюється нагрітим металом, наприклад, вольфрамовою ниткою звичайної лампочки. Світло, випромінюване атомарним газом, що світиться, наприклад, неоновою лампою (світяться атоми неону) або полум'ям газового пальника з соляним розчином (світяться атоми натрію), також неполяризоване.

Використовуючи останній приклад, ми пояснимо, чому ці хвилі неполяризовані. В результаті нагрівання тіла атоми починають вібрувати і світитися, щоб позбавитися надлишку енергії. Напрями коливань цих атомів випадкові, і тому напрямок електричного поля випромінюваної електромагнітної хвилі також змінюється випадковим чином. На рис. 4 ми бачимо три атоми, які є джерелом хвиль із різною поляризацією. Результатом їхнього об'єднання є неполяризована хвиля.

Мал. 4. Атоми, що коливаються, є джерелом хвиль з різною поляризацією.

Розкладання будь-якої хвилі на дві поляризовані хвилі

Кожна хвиля може бути розкладена на дві поляризовані хвилі з довільно вибраними перпендикулярними напрямками електричного поля. Це випливає з простого факту: кожен вектор на площині може бути представлений як сума двох векторів перпендикулярних один одному.Це стосується як поляризованих, так і неполяризованих хвиль.

Таке розкладання поляризованої хвилі з «будь-яким» напрямом поляризації на хвилю з вертикальним електричним полем (зелена хвиля) і горизонтальним електричним полем (червона хвиля) показано на рис. 5.

Мал. 5. Розкладання поляризованої хвилі з «будь-яким» напрямом поляризації на хвилю з вертикальним електричним полем (зелена хвиля) та горизонтальним електричним полем (червона хвиля)

Поляризатор

Поляризатор - це пристрій, який з падаючого неполяризованого світла пропускає тільки електромагнітні хвилі, електричний вектор яких лежить у напрямку, заданому поляризатором.

Система, яка називається поляризатором, працює наступним чином. Він має певну спрямованість. На рис. 6 це горизонтальний напрямок.

    Якщо на поляризатор падає поляризована хвиля, в якій напрямок електричного поля збігається з напрямком виділеної хвилі, то вона проходить через нього без зміни амплітуди (рис. 6. a).
  1. Якщо на нього падає поляризована хвиля, в якій напрямок електричного поля перпендикулярно до виділеного напрямку, то вона взагалі не проходить (рис. 6. b).
  2. Якщо на нього падає поляризована хвиля, у якої напрямок поляризації утворює ненульовий кут з напрямом, що виділяється, то проходить тільки її складова вздовж виділеного напрямку (рис. 6. c і 6. d). Пройшовши через нього, хвиля, очевидно, стає поляризованою.
  3. Якщо на поляризатор падає неполяризована хвиля, то через нього проходить лише її складова вздовж виділеного напрямку. Вочевидь, що це поляризована хвиля. Таким чином, поляризатор перетворює неполяризовану хвилю в поляризовану.
Мал. 6. Через поляризатор проходить лише складова напруженості електричного поля у виділеному напрямку – тут горизонтальному.

В даний час для поляризації світла зазвичай використовуються спеціальні пластикові плівки, які називаються поляризаційними фільтрами. Такі плівки використовуються в комп'ютерних моніторах.

Поляризаційний фільтр (від англ. polarizing filter) - широко відомий як поляроїд; прозора пластина чи плівка, що діє як поляризатор, тобто. пристрій, що з падаючого неполяризованого світла пропускає тільки електромагнітні хвилі, електричний вектор яких лежить у напрямку, зазначеному поляризатором.

Частково поляризоване світло

Є й інша можливість. Електричні поля світлової хвилі приймають всі можливі напрями, але ймовірність їх виникнення неоднакова. Для певного напряму він найбільший, а перпендикулярного йому напрями - найменший. Коли ми досліджуємо таке світло за допомогою поляризатора, що обертається, ми отримуємо результат, показаний на рис. 7. Ми говоримо про таке світло, що воно частково поляризоване.

Мал. 7. Графік залежності інтенсивності світла від кута повороту поляризатора, отриманий під час випробування частково поляризованого світла.

Поляризація світла при відображенні

У повсякденному житті ми постійно спостерігаємо проходження світла через склопакети. Ми бачимо, що зазвичай світло потрапляє у скло і відбивається від його поверхні одночасно. Проте виявилося, що з правильному виборі джерела світла і кута нахилу світло може взагалі відбиватися. Це визначається поляризацією світлової хвилі.

Припустимо, що промінь поляризованого світла падає на поверхню двох середовищ під кутом α ≠ 0⁰. Площина, що містить падаючий промінь і нормаль, називається площиною падіння. На малюнку 8 ця площина позначена синім кольором.

Коли ми розглядаємо падіння поляризованого світла на поверхню, то маємо розрізняти два основні випадки. Вони показані на рис. 8. В обох випадках промінь світла рухається прямою лінією x:

  • a. Електричне поле (червоні вектори) електромагнітної хвилі перпендикулярно площині падіння (синя площина),
  • b. Електричне поле гармонійної електромагнітної хвилі E паралельно площині падіння (червоні вектори лежать на синій площині). Потім це поле утворює кут з кордоном середовища. Цей кут також лежить у площині падіння (синя площина).
Мал. 8. Хвиля, що падає на поверхню

Було досліджено, як залежить величина електричного поля відбитого світла від кута падіння для речовини з показником заломлення n у цих ситуаціях. На рис. 9 показано відношення величини амплітуди електричного поля відбитого світла до амплітуди падаючого світла при проходженні світла з повітря в середу з показником заломлення n=1,5 в залежності від кута падіння. Таким матеріалом є, наприклад, скло.

Мал. 9. Відношення величини амплітуди електричного поля відбитого світла до амплітуди падаючого світла залежно від кута падіння.

a. Синя крива відповідає поляризації (a) на рис. 8. Для перпендикулярного падіння, тобто. α=0⁰, відношення E/E0дорівнює 0,2. У міру збільшення кута α збільшується величина E/E0Це означає, що все більша частина падаючого світла відбивається, а не заломлюється. Відношення E/E0 досягає 1 при значеннях кута α, що наближаються до 90°. Тоді весь світ відбивається.

b. Червона крива відповідає поляризації (b) на рис. 8. Для α=0⁰, тобто. світла, що падає перпендикулярно поверхні, відношення E/E0дорівнює 0,2. Тоді немає жодної різниці між випадком (a) та випадком (b). У міру збільшення кута α величина E/E0спочатку взагалі не збільшується, а навпаки зменшується. Світло відбивається дедалі менше. Величина E/E0досягає нуля для певного кута. Цей кут αBназивається кутом Брюстера. Він залежить від показника заломлення речовини. Для n=1,5 він дорівнює αB=56,3 °.Для кутів, що перевищують αB, відношення E/E0 збільшується та наближається до одиниці при значеннях кута α, що наближаються до 90°. Тоді весь світ поводиться як у випадку (a).

Кут Брюстера задовольняє простому співвідношенню tg αB=n .

Повна поляризація світла при відображенні

Розглянемо далі, що станеться, якщо неполяризоване світло, наприклад, від звичайної лампочки, падатиме на скло під кутом Брюстера. Така хвиля може бути розкладена на дві поляризовані хвилі з перпендикулярними напрямками електричного поля, одна типу (a) та інша типу (b).

Кожна хвиля може бути розкладена на дві поляризовані хвилі з довільно вибраними перпендикулярними напрямками електричного поля. Це випливає із простого факту: кожен вектор на площині може бути представлений як сума двох векторів перпендикулярних один одному (рис. 10). Це справедливо як для поляризованої, так неполяризованої хвилі.

Мал. 10. Розкладання вектора електричного поля на два перпендикулярні напрямки

У разі неполяризованої хвилі, коли ми розкладемо її на складові, виявиться, що хвиля (a) буде частково відображена (синя крива на рис. 9.), а хвиля (b) не буде відображена взагалі, але повністю проникне у скло (червона крива на рис. 9.). Отже, відбитий світло міститиме лише один компонент, тобто. він буде повністю поляризований з напрямом електричного поля, як на рис. 2a.

Часткова поляризація світла при відображенні

Для всіх кутів α, відмінних від αB, у відбитому світлі присутні обидві складові: (a) та (b). За винятком α=0⁰ та α до 90°, компонент (a) в середньому має більше значення, ніж компонент (b). При обертанні поляризатора спостерігається інтенсивність світла змінюється. Для деяких кутів це найвищий кут, а для інших – найнижчий.Проте повного зникнення інтенсивності світла немає. p>Графік інтенсивності світла в залежності від кута, на який був повернутий поляризатор, показаний на рис. 11.

Мал. 11. Графік інтенсивності світла залежно від кута, під яким встановлено поляризатор, для кутів падіння, відмінних від кута Брюстера

Ми називаємо таке світло частково поляризованим.

Типи поляризації

Поляризація поділяється на різні типи в залежності від того, як поводяться напрям коливань електричного поля та його величина.

  • Лінійна поляризація: напрям коливань електричного поля постійно, але його величина періодично змінюється.
  • Кругова поляризація: тут величина електричного поля постійна, але напрям його коливань змінюється з фіксованою кутовою швидкістю.
  • Еліптична поляризація: у цьому типі поляризації змінюється як величина електричного поля, і напрям його коливань.

Назва типів поляризації походить з того факту, що при погляді спереду вектор електричного поля має наступні геометричні форми (див. рис. 12).

Мал. 12. Типи поляризації світла

При лінійній поляризації, наприклад, вектор електричного поля рухається вздовж лінії, тоді як при круговій поляризації він рухається вздовж кола.

Приклади використання поляризації світла

Нарешті, ми наводимо короткий список областей, де поляризація світла має вирішальне значення. До них відносяться

  • рідкокристалічні дисплеї (також звані РК-дисплеї),
  • сонцезахисні окуляри,
  • 3D фільми,
  • аналіз механічних напруг у прозорих пластмасах,
  • у фотографії.

Список використаної літератури

    Жилко В. В., Маркович Я. Г. Фізика. 11 клас. - 2011.Мякішев Г. Я., Буховцев Б. Б., Чаругін В. М. Фізика. 11 клас. Підручник.
  1. Касьянов В. А. Фізика, 11 клас. - 2004.
  2. Какічашвілі Ш. Д. Поляризаційна голографія / відп. ред. Ю. Н. Денісюк. - Л.: "Наука" , 1989. - 141 с.

Допоможіть розробці сайту, ділитися статтею з друзями!

Категорія:

Будівництво